Michael von Deinlein wurde am 27. Juni 1853 zum Bamberger Weihbischof und am 27. September 1858 zum Erzbischof von Bamberg ernannt. Von 1856 bis 1858 nahm er das Amt des Augsburger Bischofs wahr.

Michael von Deinleins Episkopat zeichnete sich durch Engagement in allen Gebieten des kirchlichen Lebens aus. Er selbst weihte zahlreiche neue Kirchen und Kapellen und ließ zusätzliche Seelsorgestellen errichten. Zeichen seines Engagements in Kirche- und Schulfragen war 1864 ein diesbezügliches Treffen aller bayerischen Bischöfe in Bamberg. Im Jahr 1868 fand in der Bischofsstadt der 19. Deutschen Katholikentag statt.

Als Kirchenpolitiker stellte sich Deinlein auf dem I. Vatikanischen Konzil (1869/70) gegen das Unfehlbarkeitsdogma des Papstes. Von dem Konzil reiste der Bischof vorzeitig ab, um nicht an der Abstimmung über die Stellung des Papstes teilnehmen zu müssen.

Michael von Deinlein starb nach einem Schlaganfall am 4. Januar 1875.